WO2002013408A2

WO2002013408A2 - Verfahren zur datenkommunikation mit teilnehmerstationen und funk-kommunikationsnetz zur durchführung des verfahrens

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Publication number: WO2002013408A2
Application number: PCT/DE2001/003019
Authority: WO
Inventors: Bernhard Wegmann; Matthias Lott; Egon Schulz; Edgar Bolinth; Andreas KRÄMLING; Torsten Bing; Arndt Kadelka
Original assignee: Siemens Aktiengesellschaft
Priority date: 2000-08-08
Filing date: 2001-08-07
Publication date: 2002-02-14
Also published as: DE10038668C2; AU2001289558A1; CN1636333A; WO2002013408A3; DE10038668A1; US7020471B2; US20040023649A1

Abstract

In einem Funk-Kommunikationsnetz wird für die Datenkommunikation mit Teilnehmerstationen innerhalb eines Versorgungsbereiches von zwei zentralen Stationen des Netzes die Zeit in eine Abfolge von Rahmen aufgeteilt. Eine erste zentrale Station (AP1) sendet in einer ersten Broadcastphase jedes Rahmens eine erste Rahmenformatinformation (BCH), die eine erste Downlink-Phase des Rahmens (DL phase) und eine erste Uplink-Phase (UL phase) definiert, und eine zweite zentrale Station sendet in dem gleichen Rahmen auf der gleichen Frequenz eine zweite Rahmenformatinformation (BCH), die eine zweite Downlink-Phase und eine zweite Uplink-Phase für die Kommunikation von Teilnehmerstationen (MS) mit der zweiten zentralen Station (AP2) definiert, wobei die Phasen innerhalb eines Rahmens nicht überlappen.

Description

Beschreibung

Verfahren zur Datenkommunikation mit Teilnehmerstationen und Funk-Kommunikationsnetz zur Durchführung des Verfahrens

Die vorliegende Erfindung betrifft die Datenkommunikation mit Teilnehmerstationen in Funk-Kommunikationsnetzen. Genauer gesagt betrifft sie das Problem der gemeinsamen Nutzung von Funk-Ressourcen durch mehrere zentrale Stationen eines solchen Funk-Kommunikationsnetzes.

Um in Kommunikationsystemen beliebiger Art mehreren Stationen den Zugriff auf ein gemeinsames Übertragungsmedium zu ermöglichen, werden Zugriffsverfahren (Multiple Access, MA) eingesetzt, die das Recht einer einzelnen Station, auf das Medium zuzugreifen, definieren. Dabei wird unterschieden, ob das Me- dium im Zeitbereich (Time Division Multiple Access, TDMA) , im Frequenzbereich (FDMA) , im Codebereich (CDMA) oder Raumbereich (SDMA) zwischen den Stationen aufgeteilt wird.

Wird die gemeinsame Nutzung im Zeitbereich durchgeführt, besteht das Problem, die Zeitdauer festzulegen, während der eine Station das Übertragungsmedium exklusiv zur Verfügung hat, damit keine Kollisionen auftreten. Greifen mehrere Stationen unkoordiniert auf das gemeinsame Medium zu, kann es häufig zu Kollisionen kommen, sobald mehr als eine Station gleichzeitig sendet. Überwacht eine zentrale Station (z.B. eine Basisstation) den zeitlichen Zugriff einer Gruppe von Stationen (z.B. Mobilstationen), können für diese Stationen Kollisionen ausgeschlossen werden.

Falls eine Fläche versorgt werden soll, die größer als die maximale Reichweite einer zentralen Station ist, müssen meh- rere zentrale Stationen eingesetzt werden. Diesen zentralen Stationen werden üblicherweise unterschiedliche Frequenzbänder für die Kommunikation mit in ihrer Reichweite befindli- chen Teilnehmerstationen zugewiesen, um so Kollisionen zwi^¬ schen den Zugriffen der zentralen Stationen zu vermeiden. Wird ein Versorgungsbereich in Zellen unterteilt, die durch ortsfeste Stationen (Basisstationen) versorgt werden, und dürfen die Basisstationen nur eine begrenzte Anzahl von Frequenzbändern nutzen, entsteht ein zellulares Funksystem.

Die Zahl der Frequenzbänder, die für ein Funkkommunikationssystem zur Verfügung stehen, ist begrenzt. Dies bedeutet, daß es in einem Funk-Kommunikationsnetz mit einer großen Zahl von Zellen mehrere zentrale Stationen geben muß, die ein und dasselbe Frequenzband gemeinsam benutzen. Üblicherweise ist man bemüht, die Zellen geographisch so anzuordnen, daß Zellen, die das gleiche Frequenzband nutzen, so weit von einander entfernt sind, daß in einer dieser Zellen ausgestrahlte Funksignale die Kommunikation in einer anderen, bei der gleichen Frequenz arbeitenden nicht mehr stören.

Bei einer ständig steigenden Dichte von Teilnehmerstationen und einem entsprechend wachsenden Kommunikationsaufkommen in den Mobilfunknetzen stößt dieses Prinzip jedoch an seine Grenzen, denn die Zahl der Verbindungen, die über ein gegebenes Frequenzband gleichzeitig abgewickelt werden können, und damit die Zahl der Teilnehmer, die in einer Zelle gleichzeitig bedient werden können, ist begrenzt. Um die Übertragungskapazität zu steigern, könnte man zwar die Möglichkeit in Be- tracht ziehen, eine Zelle zu teilen und den zwei resultierenden Teilzellen jeweils unterschiedliche Frequenzbänder zur Nutzung zuzuweisen; dies führt jedoch in der Regel zu dem Problem, daß die in einer der neugeschaffenen Zellen zu verwendende Frequenz bereits von einer anderen Zelle in der Um- gebung benutzt wird, die nicht so weit entfernt ist, daß gegenseitige Störungen ausgeschlossen werden könnten.

Ähnliche Probleme können sich ergeben, wenn innerhalb einer gegebenen Zelle nicht alle Orte mit einem Funksignal von hinreichender Intensität versorgt werden können, um eine pro- u> IV> K3 P¹ o Üi o (_π O Cn et ö cn L_l. i-i rr fV P r w ϊ < ι-3 M P> 0 P. cn iQ 0 cn > f cn tr l-i P> *< Φ pj: i-i P> O Φ P- P⁾ Φ Φ P- 0 Φ Φ Ω 0 l-i φ • P^J P> rt P¹

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zeitkritische Anwendungen unbedingt befriedigt werden muß und dann noch verbleibende Übertragungszeit je nach Dringlichkeit zu vergeben. Anders als beim Containerverfahren kann somit eine zentrale Station, die kurzfristig eine große Datenmenge zu übertragen hat, hierfür nicht nur einen ihr standardmäßig zugeteilten Bruchteil der Rahmenperiode nutzen, sondern sie erhält Zugriff auf die gesamte Übertragungszeit, die innerhalb eines gegebenen Rahmens von ihr selbst oder von anderen an die Steuereinheit angeschlossenen zentralen Stationen noch nicht für Kommunikationsaufgaben höherer Priorität in Anspruch genommen wird.

Es gibt diverse Möglichkeiten, einen Übertragungsrahmen vorgegebener Dauer auf zwei oder mehrere zentrale Stationen aufzuteilen. Eine erste Möglichkeit ist, jeder zentralen Station ein kontinuierliches Zeitintervall innerhalb des Rahmens zuzuteilen, das eine Broadcast-Phase, in der die zentrale Station eine Rahmenformatinformation überträgt, die die Nutzung der ihr zugeteilten Übertragungszeit definiert, eine Uplink- Phase für die Übertragung von den Teilnehmerstationen an die zentrale Station und eine Downlink-Phase für die Übertragung in Gegenrichtung umfaßt. Eine solche Aufteilung hat den Vorteil, daß sie mit geringem Aufwand realisierbar ist, weil sie die Aufteilung des Rahmens in nur eine geringe Zahl von sich nicht überschneidenden Teilintervallen erfordert. Da die Rah- menformatinformation aber jeweils zu Beginn eines Rahmens übertragen werden muß und der Beginn des einer zentralen Station zugeteilten Zeitintervalls je nach Übertragungsbedarf der einzelnen Stationen variieren kann, ist es hierfür erforderlich, daß zentrale Stationen und Teilnehmerstationen in der Lage sind, Rahmen mit einer veränderlichen Dauer zu verarbeiten.

Dieses Problem läßt sich vermeiden durch eine Aufteilung der Übertragungsrahmen, bei der die Broadcast-Phasen der zentralen Stationen unmittelbar aufeinander folgen. Dies ermöglicht es jeder zentralen Station, die Rahmenformatinformation zu festgelegten Zeitpunkten mit gleichbleibender Periode an die an sie angeschlossenen Teilnehmerstationen zu übertragen, was den Teilnehmerstationen die Überwachung der Rahmenformatinformation erleichtert.

Auch hier kann der Verwaltungsaufwand in der Steuereinheit beschränkt werden, indem jeder zentralen Station ein kontinuierliches Zeitintervall zugeteilt wird, das jeweils eine Uplink-Phase und eine Downlink-Phase der Station umfaßt.

Die Aufteilung des zugeteilten kontinuierlichen Zeitinter- valls in Uplink- und Downlink-Phase kann von den betreffenden zentralen Stationen jeweils selbständig vorgenommen werden, da eine zeitliche Kollision mit den anderen zentralen Stationen bereits durch die Zuteilung der kontinuierlichen Zeitintervalle ausgeschlossen ist.

Einer weiteren Variante zufolge sind innerhalb eines Rahmens jeweils Broadcast- und Downlink-Phasen der zentralen Stationen zu einem ersten kontinuierlichen Zeitintervall und die Uplink-Phasen zu einem zweiten kontinuierlichen Zeitintervall zusammengefaßt. Diese Variante hat den Vorteil, daß beim Wechsel zwischen Uplink und Downlink aufgrund von Signallaufzeiten notwendigerweise einzuhaltende Zeitverzögerungen reduziert werden und damit die Nutzung der zur Verfügung stehenden Übertragungszeit effizienter gemacht wird.

Ausführungsbeispiele der Erfindung werden nachfolgend anhand der Zeichnung näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 ein Blockdiagramm eines Funk-Kommunikationssystems mit einer Zelle, in der das erfindungsgemäße Verfahren angewendet wird; und

Fig. 2-5 Beispiele von Rahmenstrukturen, die bei dem erfindungsgemäßen Verfahren Anwendung finden. LJ ω IV) rv> P¹ P¹ cn 0 Cn 0 C 0 n

die jeder einzelnen zentralen Station API, AP2 zum Senden bzw. Empfangen zur Verfügung stehen.

Teile der Übertragungszeit können für die einzelnen zentralen Stationen fest reserviert sein, z. B. um Signalisierungsin- formationen zu übertragen, die für ein ordnungsgemäßes Funktionieren des Netzes unverzichtbar sind. Es kann vorgesehen werden, daß die Steuereinheit APC diese reservierten Übertragungszeiten bei der Vergabe der Zeitintervalle eines MAC-Rah- mens von sich aus berücksichtigt, ohne daß die zentralen Sta- tionen ihr den Bedarf nach dieser Zeit eigens signalisieren. Alternativ kann die fest reservierte Übertragungszeit auch zusammen mit der Zeit für den zeitlich veränderlichen Übertragungsbedarf von Rahmen zu Rahmen bei der Steuereinheit APC angefordert werden. Dies ermöglicht es einer zentralen Sta- tion, in dem Fall, daß sie keine Teilnehmerstationen zu versorgen hat, den Funkverkehr mit den Teilnehmerstationen ihres Versorgungsbereiches auf dem betreffenden Frequenzband zeitweilig zu unterbrechen bzw. einen solchen Funkverkehr nur im Bedarfsfalle aufzunehmen. Dadurch ergibt sich z. B. in einem zellularen Funk-KommunikationsSystem die Möglichkeit, daß eine zentrale Station, wenn das ihr zugeteilte Frequenzband überlastet ist, zeitweilig Übertragungszeit in einem Frequenzband einer Nachbarstation „ausleiht"" , um über das normalerweise in einem einzelnen Frequenzband mögliche Maß hinaus Teilnehmerstationen zu versorgen.

Bei bei der Meldung des Kommunikationsbedarfs an die Steuereinheit werden verschiedene Prioritätsstufen unterschieden. Die höchste Prioritätsstufe ist die von bereits etablierten zeitkritischen Verbindungen, insbesondere von Sprechverbin- düngen, die, um eine einwandfreie Dienstqualität gewährleisten zu können, darauf angewiesen sind, daß in jedem MAC-Rah- men Übertragungsbandbreite für sie zur Verfügung steht. Der Kommunikationsbedarf der zentralen Stationen, der durch diese Art von Verbindungen bedingt ist, muß von der Steuereinheit in jedem Falle befriedigt werden. Kommunikationsbedarf von ' > ω IV⁾ tV) P¹ P¹

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nach Figur 4 nur noch zwei. Ein weiterer Vorteil der Rahmenstruktur von Figur 4 ist der im Vergleich zu der Struktur von Figur 3 vergrößerte Zeitabstand zwischen dem Associated Con- trol Channel ACH einer zentralen Station und der Uplink-Phase dieser Station. Eine Teilnehmerstation, die in der Uplink- Phase zu der betreffenden zentralen Station senden muß, hat daher bei der Rahmenstruktur von Figur 4 im Mittel genauso viel Zeit wie bei einem herkömmlichen HIPERLAN/2-Rahmen, um die im ACH-Kanal übertragene Steuerinformation, z.B. Timing Advance oder Leistungsregelung zu verarbeiten. Somit ist jede herkömmliche HIPERLAN/2-Teilnehmerstation in der Lage, mit einer zentralen Station zu kommunizieren, die eine Rahmenstruktur gemäß Figur 4 einsetzt.

Die veränderlichen Zeitdauern der Phasen der oben beschriebe- nen Rahmenstrukturen können selbstverständlich für einzelne

Phasen und Rahmen auch Null werden. Auf diese Weise kann z.B. die erste API der zwei zentralen Stationen zeitweilig die gesamte Sende-/Empfangszeit eines MAC-Rahmens zugeteilt bekommen, wenn die zweite zentrale Station AP2 keine Daten zu übermitteln hat oder nur Daten zu übermitteln hat, die eine Unterbrechung der Übertragung für einzelne MAC-Rahmen tolerieren können, um so die schnelle Übertragung großer Mengen von zeitkritischen Daten durch die erste Station API zu ermöglichen.

Figur 5 zeigt eine weitere abgewandelte Rahmenstruktur, bei der die Abfolge von Sende- und Empfangsphasen der Struktur von Figur 4 auf zwei MAC-Rahmen, also auf eine Zeitspanne von 4 ms, verteilt ist. Auch diese Struktur erlaubt die Zuteilung von langen zusammenhängenden Phasen für Uplink oder Downlink an eine der zwei zentralen Stationen API oder AP2, so daß große Datenmengen zusammenhängend übertragen werden können und die theoretische Übertragungskapazität eines Frequenzbandes, die beim HIPERLAN/2-Netz 54 Mb/s beträgt, praktisch ungeschmälert für die Nutzdatenübertragung eingesetzt werden kann. Selbstverständlich sind die oben beschriebenen Rahmenstrukturen auch für Zellen anwendbar, in denen sich mehr als zwei zentrale Stationen ein Frequenzband teilen, indem Sende- bzw. Empfangsphasen für die weiteren Stationen jeweils zwischen solche der oben erwähnten zwei Stationen eingeschoben werden.

Des weiteren ist die Erfindung nicht auf ein HIPERLAN/2-Netz beschränkt sondern anwendbar auf beliebige Funk-Kommunikationsnetze, die eine dynamische Festlegung des Rahmenformats unterstützen.

Insbesondere brauchen diese Funknetze keine zellulare Struktur aufzuweisen; das Prinzip der Erfindung ist auch ohne Schwierigkeiten bei drahtlosen LANs (Local Area Networks) und Ad-hoc-Netzen (selbstkonfigurierenden Netzen) anwendbar. Ein Beispiel für einen Ad-hoc-Netz-Standard, wo die Erfindung unter gewissen Erweiterungen des Standards anwendbar ist, ist der Bluetooth-Standard; auch bei HIPERLAN/2 werden Entwicklungen betrieben, die zu einer Selbstkonfigurationsfähigkeit, insbesondere bei Anwendungen im haustechnischen Bereich, füh- ren sollen.

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5. Verfahren nach einem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Zuteilung jeweils von einem zu einem oder mehreren der darauf folgenden Rahmen erfolgt.

6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß in einem Rahmen jeder zentralen Station (API, AP2) ein kontinuierliches Zeitintervall zugeteilt wird, das eine Broadcast-Phase, eine Uplink-Phase und eine Downlink-Phase der Station umfaßt.

7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Broadcast-Phasen der zentralen Stationen unmittelbar aufeinander folgen.

Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß in einem Rahmen jeder zentralen Station ein kontinuierliches Zeitintervall zugeteilt wird, das eine Uplink-Phase und eine Downlink-Phase der Station umfaßt.

Verfahren nach Anspruch 6 oder Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die zentrale Station (API, AP2) die Aufteilung des kontinuierlichen Zeitintervalls in Uplink- und Downlink-Phase selbständig vornimmt.

10. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß Broadcast- und Downlink-Phasen der zentralen Stationen (API, AP2) einerseits und Uplink-Phasen andererseits jeweils ein kontinuierliches Zeitintervall bilden.

11. Funk-Kommunikationsnetz mit einer Mehrzahl von zentralen Stationen (API, AP2) für die Datenkommunikation mit Teilnehmerstationen (MT) , dadurch gekennzeichnet, daß wenig- stens zwei eine gleiche Frequenz verwendende zentrale

Stationen (API, AP2) mit einer Steuereinheit (APC) verbunden sind, die ihnen innerhalb eines Übertragungsrah- mens jeweils getrennte Zeitintervalle für Uplink- bzw. Downlink-Phasen zuteilt.

12. Funk-Kommunikationsnetz nach Anspruch 11, dadurch gekenn- zeichnet, daß die zentralen Stationen (API, AP2) eingerichtet sind, um eine Meldung über ihren Übertragungsbedarf an die Steuereinheit (APC) zu senden.

13. Funk-Kommunikationsnetz nach Anspruch 12, dadurch gekenn- zeichnet, daß die Meldung nach Prioritäten der zu übertragenden Daten aufgeschlüsselt ist.

14. Funk-Kommunikationsnetz nach einem der Ansprüche 11 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß es eine zellulare Struk- tur aufweist.

15. Funk-Kommunikationsnetz nach einem der Ansprüche 11 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß es ein drahtloses LAN oder ein Ad-hoc-Netz ist.